石墨化培訓(xùn)教材初稿

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)石墨化碳在自然界是一種很普遍，為人們所熟悉的元素，化學(xué)符號為C，原子序數(shù)6，原子量12，元素周期表Ⅳ主族，在地殼中的含量大約為0.027％，大氣中約含有0.03％（體積）的碳化合物（二氧化碳等）。碳的化合物有數(shù)十萬種，它所形成的化合物比其它任何一種元素都多。在已知的全部化合物中，碳的化合物占90％以上。碳在自然界中分布十分廣泛，其存在形式常以游離狀態(tài)和碳的化合物狀態(tài)而存在。以游離狀態(tài)存在的單質(zhì)碳有：金剛石、天然石墨、煤炭。金剛石和天然石墨是晶態(tài)單質(zhì)碳在自然界中的兩種同素異型體，煤是天然存在的無定形碳的集合體。用做人造石墨的各種原料多來源于碳的化合物（碳氫化合物），碳氫化合物是一種稠環(huán)高分子化合物，隨著溫度的升高，當排除雜質(zhì)和完成縮聚過程之后，就會碳化成為六角碳原子的平面網(wǎng)格，溫度進一步提高，熱處理溫度提高到2300℃以上時，碳就轉(zhuǎn)變成了石墨。其晶格常數(shù)接近天然石墨。無定形碳的石墨化是一種固化反應(yīng)，其原子遷移，結(jié)構(gòu)重排的阻力很大，這就使得石墨化工藝是一種高能耗工藝。一八九五年，艾契遜發(fā)明了艾契遜式石墨化工藝，為石墨化工藝奠定了基礎(chǔ)，十九世紀末，美國人卡斯特納發(fā)明了內(nèi)熱串接石墨化。為節(jié)約能源，降低電消耗開辟了新途徑。使石墨化工藝有了新的突破。但內(nèi)熱串接的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)卻是在二十世紀七十年代以后。就目前來說，艾契遜式石墨化工藝仍然占主導(dǎo)地位。一百多年來，人們通過對石墨化機理的研究，提出了石墨化轉(zhuǎn)化假說。通過艾契遜式石墨化工藝多年的實際生產(chǎn)，積累了豐富經(jīng)驗。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電爐煉鋼工藝技術(shù)和裝備的不斷提高，對石墨制品允許承載的功率負荷提出更高要求，同時對石墨制品的內(nèi)在品質(zhì)指標提出了更高的要求，為此而產(chǎn)生了高功率電極和超高功率電極。近年來又開拓了航天，核工業(yè)等新的工業(yè)領(lǐng)域，本篇主要介紹石墨化的一般理論，艾契遜式石墨化的生產(chǎn)工藝及相關(guān)設(shè)備，并簡要介紹內(nèi)串石墨化及高純石墨生產(chǎn)一般知識。第一節(jié)概述石墨化需要2300℃以上的高溫熱處理，這就決定了除電加熱外，其它類型的加熱方式很難達到石墨化目的，如天燃氣、煤氣等的明火溫度才僅僅1600℃左右，所以，采用“外熱源”加熱制品的爐型無法使制品實現(xiàn)石墨化。因此，石墨化爐是采用制品做“內(nèi)熱源”的電阻爐，石墨化的生產(chǎn)運行都是緊緊圍繞石墨化爐來進行的。一、電能轉(zhuǎn)化成熱能的基本原理導(dǎo)體本身都具有一定的電阻，當電流通過時，導(dǎo)體就會發(fā)熱。通過的電流越大，產(chǎn)生的熱量越多，通過同樣的電流強度，電阻大的導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量比電阻小的導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量多。焦耳定律表述了這一電能轉(zhuǎn)換為熱能的規(guī)律：電流通過導(dǎo)體時所產(chǎn)生的熱量與通過的電流平方、導(dǎo)體本身電阻以及通電時間成正比，其數(shù)學(xué)表達式為：Q＝I2Rt式中：Q－熱量（焦耳）I－電流（安培）R－導(dǎo)體電阻（歐姆）。T－通電時間（秒）石墨化爐在運行中，爐阻，電流、電壓都在不斷地改變，因此，實際計算應(yīng)采用下式：Q=I2Rdt=dt式中－平均功率二、石墨化概念石墨化就是使六角碳原子平面網(wǎng)格從二維空間的無序重迭轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間的有序重迭，并具有石墨結(jié)構(gòu)的高溫熱處理過程（一般需要2300℃圖1-1石墨化晶格轉(zhuǎn)變示意圖三、石墨化目的焙燒品和石墨化品的最主要差別在于碳原子和碳原子之間的晶格排列順序和程度上存在著差異，焙燒品的碳原子排列屬于“二維無序重迭”，而石墨化品則屬于“三維有序重迭”，并具有石墨結(jié)構(gòu)。內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不同，導(dǎo)致它們在宏觀表現(xiàn)的理化性質(zhì)亦不同。表1-1焙燒品和石墨化品理化指標對比項目焙燒品石墨化品電阻率μΩm30-504-10真密度g/cm32.00-2.082.20-2.24體積密度g/cm31.50-1.651.50-1.68抗壓強度MPa25-3516-30孔度％20-2525-30灰分％0.50.3導(dǎo)熱性W/(m.k)3.6-6.7175℃-675℃175-67574.5150℃-300℃熱膨脹系數(shù)1/℃1.6-4.5×10-620℃-500℃1.1-2.6×10-620℃-500℃開始氧化溫度℃450-550600-700從表中可以看出，焙燒品經(jīng)石墨化后，電阻率降低5-10倍，真密度提高約10％，導(dǎo)熱性提高約10倍，熱膨脹系數(shù)降低約1倍，開始氧化溫度提高，雜質(zhì)氣化逸出，機械強度有所降低，由此看來，炭素制品在隔絕空氣的條件下，經(jīng)過2300℃以上的高溫處理，可以達到下列目的(1)提高產(chǎn)品的電、熱傳導(dǎo)性。(2)提高產(chǎn)品的抗熱沖擊性和化學(xué)穩(wěn)定性。(3)使產(chǎn)品具有潤滑性、抗磨性。(4)排除雜質(zhì)、提高純度。四、影響石墨化的因素1、原料由于含碳物質(zhì)原來的化學(xué)組成、分子結(jié)構(gòu)的不同，碳化后這些原子團的聚集狀態(tài)也不一樣。易石墨化的程度也就不同。一般以內(nèi)部結(jié)構(gòu)是平行定向堆積，還是雜亂交錯堆積來區(qū)分原料石墨化的難易程度。例如象無煙煤、石油焦、針狀焦、利用中間相小球體制造成的定向焦等，由于在它們內(nèi)部，大原子團的堆積大致都是平行定向的，交叉連結(jié)很少，所以它們屬易于石墨化焦。相反，象糖碳，碳黑等，由于它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聚集是雜亂的，取向不定，再加之這些材料多微孔，含有大量的氧及氫氧團，所以它們就難于石墨化。介于以上兩種情況之間的有瀝青焦，冶金焦等。瀝青焦的原材料是經(jīng)過氧化的高溫瀝青，含氧較多，故內(nèi)部結(jié)構(gòu)中交叉連結(jié)也比較多，冶金焦是含有多種有機物的煙煤的產(chǎn)物，微孔特別發(fā)達，交叉連結(jié)很多。瀝青焦較比石油焦難石墨化，但比冶金焦要易石墨化，所以有的人將瀝青焦也列為易石墨化碳的行列中。圖1-2碳的微觀結(jié)構(gòu)示意圖1---易石墨化碳2---難石墨化碳3---介于兩者之間在石墨制品生產(chǎn)中，選擇易石墨化的原料是生產(chǎn)好制品的先決條件，在同樣的熱處理溫度下，易石墨化碳更容易轉(zhuǎn)變成為石墨晶體。因此，高功率、和超高功率電極都加入一定比例或全部采用針狀焦來生產(chǎn)，必須指出的是，由于各種原料的石墨化難易程度不同，他們的石墨化溫度以及在一定溫度下所能達到的石墨化度也是不同的。經(jīng)過進一步研究發(fā)現(xiàn)，就是同屬于一個系列的易石墨化碳，比如石油焦系列，或針狀焦系列。由于產(chǎn)地等因素的不同，造成其組分有差異，易石墨化的程度也就略有不同，主要是受硫等雜質(zhì)含量的影響。硫是對石墨化影響最大的雜質(zhì)。一方面，硫在石墨化過程中以硫化物的形式溢出，使制品產(chǎn)生氣漲現(xiàn)象，易使制品產(chǎn)生裂紋。另一方面，硫等這些雜質(zhì)在石墨化過程中，元素中的原子會不同程度地侵入碳原子的點陣中，并在碳原子的點陣中占據(jù)位置，造成石墨晶格缺陷，使制品的石墨化程度降低。2、溫度及高溫下的停留時間高溫是碳轉(zhuǎn)變成石墨的主要外界條件。同種碳材料，溫度越高，石墨化程度越好。不同種碳材料，開始石墨化的溫度不同。石墨化程度與高溫下的停留時間也有一定的關(guān)系。但效果遠沒有提高石墨化溫度明顯。圖1－3石油焦在一定溫度和時間下的層間距示意圖石油焦一般在1700℃就開始石墨化，而瀝青焦則要在2000℃左右才能進入石墨化的轉(zhuǎn)化階段。石油焦在石墨化過程中，晶體增長和溫度的關(guān)系及層間距與溫度的關(guān)系如圖所示。圖1-4晶體增長及層間距與溫度的關(guān)系圖La----晶粒寬度.lC---晶粒厚度d---相鄰晶層距離從圖中可以看出，石油焦在石墨化過程中，一直到2300℃以上才接近于理想石墨結(jié)構(gòu)。制品的石墨化程度和溫度的關(guān)系如表。表1－2溫度與石墨化程度的關(guān)系溫度（℃）在該溫度下停留時間（分）電阻率（歐姆·米）相鄰晶層距離（納米）20006835.20.3423322506323.50.3398925306713.00.3374327806010.50.336743000688.50.33644表1－3同一溫度下不同停留時間與電阻的關(guān)系溫度（℃）停留時間（分）電阻率（歐姆·米）相鄰晶層距離（納米）20001535.20.3425720001835.20.34233200018334.30.34223200036333.20.34201200060832.20.341852000120431.50.3416522506323.50.33989225018722.10.33929特別是在實際生產(chǎn)過程中，當達到最高溫度時，往往還要保持一段時間。這是因為石墨化爐芯是由不同規(guī)格的碳制品和電阻料構(gòu)成。工藝操作、原料性質(zhì)、接觸好壞、絕緣效果等原因，會造成各部位爐阻的不同，常常會使電流密度不均，從而造成爐內(nèi)各部位溫度的不一致。所以，同一石墨化爐內(nèi)，爐芯中央部位和邊緣部位也存在數(shù)百度的溫差。因此為了保證整個爐芯的最高溫度基本一致，在達到最高溫度后，保持一段時間是必要的。3、壓力提高壓力對石墨化有一定的促進作用。有人把石油焦等碳化物在1～10千巴的壓力下加熱時發(fā)現(xiàn)，在1400--1500℃的低溫下就開始石墨化。反之，減壓加熱時，對石墨化有抑止作用，實踐證明，如果石墨化在真空條件下進行，則它將達不到一般大氣壓下能夠到達的石墨化程度。但這其實只是理論研究，實際應(yīng)用不到。4、催化劑在一定條件下，添加一定數(shù)量相應(yīng)的催化劑，可以促進石墨化的進行。如：硼、鐵、硅、鈦、鎳、鎂及其某些化合物等等。催化劑的添加一般是以極細的粉末加入，由于它們的性質(zhì)不同，對石墨化的促進機理和效果也不同。大致分兩類。（1）不溶－淀析機理無定型碳融解于有催化作用的添加物中，如鐵、鈷、鎳等。形成這些金屬和碳的熔合物，通過化合物內(nèi)部的原子重排，使碳作為石墨的結(jié)晶而析出。如溶鐵的碳析出時，可得到單晶石墨。（2）碳化物的形成－分解機理無定型碳與有催化作用的添加物形成碳化物，碳化物在高溫下分解即生成石墨和金屬蒸氣。這種機理與碳化物的轉(zhuǎn)化理論是類似的。作為碳的催化劑，在元素周期表上有一定的規(guī)律，研究表明ⅠB、ⅡB族金屬元素對碳的石墨化沒有催化作用，而其它過渡元素則有催化作用。表1-4各種金屬的催化效應(yīng)能促進均質(zhì)石墨化的硼能催化形成石墨的鎂、鈣、硅、鍺能催化形成石墨和亂層結(jié)構(gòu)的鈦、礬、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、鋁、鋯、鈮、鉬、鉿、鉭、鎢沒有催化作用的銅、鋅、銀、鎘、錫、銻、金、汞、鉛、鉍催化劑的添加有其最佳的加入量。過多的添加不僅使得催化作用不明顯，而且會成為防礙石墨晶體生成的雜質(zhì)，正如碳化物轉(zhuǎn)化理論一節(jié)中提到的：當石墨化度較低時，某些礦物雜質(zhì)對石墨化有催化作用，但催化機理不局限于生成碳化物這種形式。當石墨化度較高時，礦物雜質(zhì)的存在往往會使石墨晶格形成某種缺陷，妨礙石墨化度的進一步提高。目前石墨電極中常以鐵粉或鐵的氧化物做添加劑。圖1-5同一溫度下三氧化二鐵粉的加入量與石油焦石墨轉(zhuǎn)化度的關(guān)系示意圖從圖中曲線可見，在同一溫度下隨著三氧化二鐵含量的提高，石墨化度提高，但到3％以上，則曲線趨于水平。在實際生產(chǎn)中，我們經(jīng)常遇到和分析的主要是前兩項，即原料和溫度。至于壓力和催化劑，雖然理論上對石墨化有影響，但未到能應(yīng)用于實際分析的程度。五、石墨的晶體結(jié)構(gòu)1、理想石墨的晶體結(jié)構(gòu)圖1-6理想石墨晶體結(jié)構(gòu)示意圖理想石墨具有層狀結(jié)構(gòu)，石墨晶體中碳原子排列成正六角形，這些六角結(jié)構(gòu)成相互平行的許多平面層，每個碳原子剩余的一個電子則在平面之間能夠較自由的移動，在同一平面上，每個碳原子周圍環(huán)繞著三個碳原子，它們間的距離均為0.142nm，結(jié)合力為較強的共價鍵，其鍵能達170千卡/克原子，平面之間的間距為0.3354nm，以較弱的金屬相連接，鍵能為4.36卡/克原子，層間引力較弱，石墨的這種晶體結(jié)構(gòu)使石墨具有：柔軟、潤滑、導(dǎo)電、熔點高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點。各種人造石墨的結(jié)構(gòu)不如理想石墨完善，由于各種原因不同程度地帶有各種結(jié)構(gòu)缺陷，常見的有：層面堆積缺陷，層面排列有序性不連貫。碳網(wǎng)格下鍵連接的缺陷，把層面分割成不限的區(qū)間，不像理想石墨那樣，碳原子平面網(wǎng)格在二維空間上無限伸展。晶界錯位缺陷，晶界錯位，碳原子排列不成正六邊形網(wǎng)格。空洞缺陷，六邊形網(wǎng)格中碳原子斷鏈，缺位。混入雜原子的缺陷，在點陣中拌有非碳原子或原子團。從上述意義講，人造石墨只能稱作一種“多晶石墨”。不過這種“多晶石墨”已具備了理想石墨的基本特性。2、金剛石的晶體結(jié)構(gòu)在金剛石的晶體結(jié)構(gòu)中每個碳原子與相鄰的四個碳原子以共價鍵結(jié)合，呈正四面體配位，屬于等軸晶系，金剛石是典型的原子晶體，金剛石的這種結(jié)構(gòu)特征，決定了金剛石不導(dǎo)電，導(dǎo)熱性也很差。在隔絕空氣的條件下加熱到1000℃時，金剛石轉(zhuǎn)變?yōu)槭Y(jié)構(gòu)，在空氣中加熱到780℃左右會燃燒而生成二氧化碳。使用純度較高的人造石墨在高溫、高壓下可以獲得人造金剛石，但是這種人造金剛石的顆粒比較小。圖1-7金剛石的晶體結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)石墨化轉(zhuǎn)化理論人造石墨生產(chǎn)一百多年來，石墨化的轉(zhuǎn)化機理一直是人們不斷研究的一個課題，通過研究，人們提出了各種假說。其中有影響的、有以下3個理論假說：一、碳化物轉(zhuǎn)化理論該理論是美國人艾其遜在合成碳化硅時、發(fā)現(xiàn)了結(jié)晶粗大的人造石墨為依據(jù)而提出來的。他認為碳質(zhì)材料的石墨化首先是通過與各種礦物質(zhì)（如SiO2、Fe2O3、Al2O3）形成碳化物，然后在高溫下分解為金屬蒸氣和石墨。這些礦物質(zhì)在石墨化過程中起催化作用。由于石墨化爐的加熱是由爐芯逐漸向外擴展，因此，焦碳中所含的礦物質(zhì)與碳的化合首先在爐芯進行。以生成碳化硅為例，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：高溫分解產(chǎn)生的金屬氣化物又與爐芯靠外側(cè)的碳化合、形成碳化物，然后又在高溫下分解。這樣一來，少量的礦物質(zhì)可以使大量的碳化物轉(zhuǎn)化為石墨。在石墨化爐中，確實可以發(fā)現(xiàn)一些碳化硅晶體，在人造石墨制品表面也常發(fā)現(xiàn)有分解石墨和尚未分解的碳化硅。但已有研究表明，這種由碳化物分解形成的石墨與焦碳經(jīng)過結(jié)構(gòu)重排，轉(zhuǎn)化而成的石墨在性質(zhì)上是不同的。少灰的石油焦比多灰的無煙煤可以達到更高的石墨化度。如預(yù)先對石油焦或無煙煤進行降低灰分處理，則它們更易于石墨化。事實上，當石墨化度較低時，某些礦物雜質(zhì)對石墨化有催化作用，但催化機理不局限于生成碳化物這種形式。當石墨化度較高時，礦物雜質(zhì)的存在往往會使石墨晶格形成某種缺陷，妨礙石墨化度的進一步提高。因此，碳化物轉(zhuǎn)化理論對分解石墨來說是正確的，但對多數(shù)碳質(zhì)材料的石墨化來說，就不符合實際了。二、再結(jié)晶理論塔曼根據(jù)金屬再結(jié)晶理論引申而提出石墨化再結(jié)晶理論。再結(jié)晶理論假定碳素原材料中原來就存在極小的石墨晶體，他們借碳原子的位移而“焊接”在一起成為大的晶體，另一方面，再結(jié)晶理論還提出了石墨化時有新晶生成，新晶是在原晶體的接觸界面上吸收碳原子而成長的。石墨化的難易與炭質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì)有關(guān)。對于多孔和松散的原料，由于碳原子的熱運動受到阻礙，使晶體連接的機會減少，所以就難于石墨化。反之，結(jié)構(gòu)致密的原料，由于碳原子熱運動受到空間阻礙小，便于互相接觸和晶體連接，所以就易于石墨化。同時該理論還認為，石墨化程度與晶格的成長有關(guān)，但它主要取決于石墨化溫度，高溫下的持續(xù)時間也有一定影響。此外，該理論認為，只有當?shù)诙谓Y(jié)晶的溫度高于第一次結(jié)晶的溫度時，二次結(jié)晶才能發(fā)生。顯然，再結(jié)晶理論比碳化物轉(zhuǎn)化結(jié)論前進了一步。但是再結(jié)晶結(jié)論沒有說明碳質(zhì)原料中存在的微小石墨晶體形成的過程和條件。根據(jù)X射線衍射對晶體分析，在大多數(shù)原始碳中并沒有石墨晶體的存在，所以，所謂的“熱焊接”或新晶生成也就缺乏根據(jù)，用該理論解釋石墨晶體的轉(zhuǎn)化過程也就難以使人信服。三、微晶成長理論1917年，德拜和謝樂在研究無定型碳的X射線衍射圖譜時，發(fā)現(xiàn)它于石墨譜線有相似之處，有些譜線兩者可以重合。因此他們認為無定型碳是由石墨微晶組成的，無定型碳與石墨的不同，主要在于晶體大小的不同。在此基礎(chǔ)上，德拜和謝樂提出了石墨化微晶成長理論。由于以后研究者的充實和發(fā)展，這一理論已為較多的研究者所接受。該理論認為：碳質(zhì)材料的初始物質(zhì)，都是稠環(huán)芳香烴化合物，這些多環(huán)化合物由于熱的作用，經(jīng)過連續(xù)不斷的分解與聚合等一系列反應(yīng)，最終生成含碳量很高的碳青質(zhì)，碳青質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元是二維平面原子網(wǎng)格的堆積體。網(wǎng)格的邊緣有各種側(cè)鏈，如機能團、異類原子等，由于它們之間原子力的相互作用，使得平面網(wǎng)格作一定角度的扭轉(zhuǎn)，這是一種特殊的物質(zhì)，既不是樹脂或玻璃體一樣的非晶體，也不是晶體，微晶成長理論中把它稱之為“微晶”。這種微晶可以視為一些大原子團，它們有正六角形規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)化成石墨結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。由于含碳物質(zhì)原來的化學(xué)組成，分子結(jié)構(gòu)的不同，碳化后這些原子團的聚集狀態(tài)也不一樣，可石墨化性也大不相同，一般以平行定向堆積和雜亂交錯堆積來區(qū)分原料石墨化的難易程度。無定形碳在高溫下通過“微晶”增長而轉(zhuǎn)化為石墨。在1600以前，其變化并不明顯，但當溫度升至1600℃－2100℃時，“微晶”的變化明顯加快，此時“微晶”邊緣上的側(cè)鏈開始斷裂或氣化，或是進入碳原子的平面網(wǎng)格，進而使“微晶”的結(jié)構(gòu)發(fā)生變動，即一些大致平面定向的“微晶”在高溫的作用下逐漸結(jié)合成更大的平面體。與此同時，隨著過程的進行，“微晶”將在a軸上增長，并在c軸上也進行重新排列，從而使有序排列的厚度增加，這一過程可一直延續(xù)到2700℃，即當“微晶”從二維空間的無序排列逐漸轉(zhuǎn)化為三維空間的有序排列，并最終形成石墨晶體是才基本結(jié)束?？傊瘷C理比較復(fù)雜，有許多問題還在研究之中。第三節(jié)石墨化爐及輔助設(shè)備石墨化爐是根據(jù)焦耳定律的原理而設(shè)計的直接加熱，間歇運轉(zhuǎn)的電阻爐。對艾其遜式石墨化爐而言，裝入爐內(nèi)的產(chǎn)品與少量的電阻料組成爐芯，產(chǎn)品本身即是發(fā)熱電阻，又是被加熱對象。對內(nèi)串爐而言，裝入爐內(nèi)的產(chǎn)品就是爐芯，發(fā)熱電阻由產(chǎn)品本身構(gòu)成。制品靠自身的發(fā)熱而使之石墨化。一、艾其遜式石墨化爐艾其遜式石墨化爐一般包括爐底槽、爐頭端墻、導(dǎo)電電極、爐側(cè)墻、槽鋼等幾部分。圖3-1艾其遜式石墨化爐的結(jié)構(gòu)示意圖爐底槽一般指石墨化爐兩端墻之間長方形槽的底下部分。在石墨化爐的混凝土基礎(chǔ)上，先砌1～3層紅磚，然后再砌一層普通耐火磚，四周也用耐火磚砌起，至端墻多灰碳塊處。如采用活動側(cè)墻式，還要在兩邊砌上一排虎頭磚，即構(gòu)成爐底槽。在爐槽的兩端各砌上一個導(dǎo)電端墻，成為爐頭端墻，爐頭端墻的外側(cè)墻用多灰碳塊或用耐火粘土磚、高鋁磚等砌筑。內(nèi)側(cè)墻用石墨化塊砌筑。為加強保護爐頭，使其在熱膨脹或機械力的撞擊下，不致引起大的變形和損壞，爐頭兩側(cè)有槽鋼或角鋼制成的護架，并用鋼拉筋固定。內(nèi)、外兩側(cè)墻之間的空間填充石墨粉，并要搗固。石墨粉要求水分在0.5％以下，粒度0～5毫米之間，灰分在1.5％以下，粉末電阻率不大于350×10－6歐姆·米。裝入石墨粉的目的是：(1)密封及保溫作用。(2)同時還有部分均電流作用。很多廠家選擇在爐頭石墨粉上放一層耐火磚或廢陽極之類的東西將其蓋上，蓋上的主要作用有：增強密封效果，防止上蓋保溫料混入爐頭石墨粉中。上蓋保溫料混入石墨粉中后，易形成硬塊。導(dǎo)電電極貫穿過內(nèi)，外兩端墻，與端墻構(gòu)成一個整體。電極上有銅板通過夾緊夾具與之連接。銅板與鋁母線排之間用多層薄銅片緩沖連接。電極靠向爐內(nèi)的一端與爐內(nèi)側(cè)導(dǎo)電端墻相接。導(dǎo)電電極可用石墨化電極或石墨塊。如果用石墨化電極做導(dǎo)電電極則會給石墨化爐砌筑帶來很大難度，所以，導(dǎo)電電極多采用石墨化塊，石墨化塊要有較高的導(dǎo)電系數(shù)，其允許電流密度最好為11安培/厘米2以上。所以現(xiàn)在的很多廠家使用二燒石墨化塊做導(dǎo)電電極。考慮到由于連接的程度等各方面原因，導(dǎo)致各個導(dǎo)電電極的導(dǎo)電不均勻性，為了提高導(dǎo)電電極的使用壽命，一般在選用石墨化塊導(dǎo)電電極的個數(shù)和截面時，應(yīng)保證其電流密度在10安培/厘米2以下。否則，導(dǎo)電電極容易斷裂，易造成爐頭（尾）導(dǎo)電端墻在送電后期發(fā)生竄火事故。圖3－2爐頭（尾）導(dǎo)電端墻導(dǎo)電電極的配置形式常用的石墨化塊截面一般為400×400以上，電阻率應(yīng)小于10×10－6歐姆·米，抗壓強度大于16MPa表3－1石墨化塊的理化指標實測結(jié)果。項目指標灰分0.32％真密度2.22g\cm2體積密度1.61～1.67g\cm2孔隙率24.77～27.48％抗壓強度20～29MPa比電阻8～10×10－6Ω·m石墨化爐在運行中，爐溫達2300℃以上，導(dǎo)電電極與爐芯連結(jié)的一端就是在這樣的高溫下進行工作。導(dǎo)電電極的另一端與銅母線相連接，這就要保證與銅板的連接處的溫度要低于銅板的融化溫度，同時，因?qū)щ婋姌O裸露在空氣中，必須在低于氧化溫度下工作。為此，一定要進行強制冷卻。目前基本有兩種冷卻方式。1、直接淋水冷卻：以鉆孔水管橫架于導(dǎo)電電極上，澆水于導(dǎo)電電極及其與銅母線的連接處，使之冷卻。這種直接冷卻方式簡單、方便，冷卻效果好。缺點是，冷卻水四濺，易對爐體滲水。而且這種方式需要安裝一泄水槽，水槽易阻塞，不及時處理，槽內(nèi)水就容易滲入爐內(nèi)，噴淋水也容易滲入爐內(nèi)，使爐子的壽命周期縮短，同時易使爐內(nèi)產(chǎn)品氧化。另外，在北方，冬季水槽四周容易結(jié)冰較多，不易處理。2、直接內(nèi)冷：在導(dǎo)電電極鏜孔后直接用絲堵堵上，再接上一長一短兩根水管，讓水直接流到電極的圓孔后再排出。圖3-3直接內(nèi)冷方式示意圖這種方式的優(yōu)點是易將水系統(tǒng)做成全封閉或半封閉系統(tǒng)，不會向爐內(nèi)滲入。因為可以不用泄水槽，從而，用此方法的廠家，多把水系統(tǒng)做成半封閉系統(tǒng)。缺點是：冷卻效果不如直接淋水冷卻，對水質(zhì)要求較高，嚴禁缺水。否則爐頭溫度升高，再忽然通入冷水，易產(chǎn)生水爆，十分危險。石墨化爐側(cè)墻分固定墻和活動墻固定式側(cè)墻一般采用耐火磚砌筑，每隔一定間隔都要留一排氣孔，以使送電過程中爐芯內(nèi)的煙氣能順利排出。使用耐火磚做側(cè)墻，保溫效果好，使用壽命也稍長，但造價較高。活動式側(cè)墻是由水泥、粘土、耐火磚碎塊等按一定比例配制而成，墻上留有排氣孔。使用時將活動側(cè)墻吊放在爐兩側(cè)、由槽鋼做成的柱子間?；顒邮絺?cè)墻的優(yōu)點是經(jīng)濟、省工，且冷卻爐子時方便。缺點是不耐機械沖擊和熱沖擊，以及破損不能修補等。此外，現(xiàn)在還出現(xiàn)了下半部為固定式，上半部為活動式的混合型側(cè)墻，兼顧了兩者的優(yōu)點，使用效果比較理想。槽鋼（或鑄鐵支架）主要起固定側(cè)墻的作用。通電爐芯由被加熱的產(chǎn)品和中間填充電阻料組成。通電后爐體有一定的熱脹力。二、短網(wǎng)一般把直流石墨化爐整流柜的輸出端到爐頭導(dǎo)電電極之間的母線，稱為短網(wǎng)，石墨化爐使用的母線一般為矩形。石墨化爐的母線有銅和鋁兩種材料制成。銅的機械強度較大，導(dǎo)電性較好，抗腐蝕性亦強。鋁的導(dǎo)電性稍差，但鋁的價格相對便宜，比重也輕。表3-2銅和鋁的有關(guān)性能數(shù)據(jù)材料比重極限強度（MPa）電阻率（μΩm）電阻的溫度系數(shù)（1/℃）紫銅8.92200.0164.3×10-3鋁2.71100.0254.7×10-3由于石墨化爐的爐阻較小，尤其是送電后期，爐阻變得更小，使短網(wǎng)的壓降增大，造成電能損耗增加。因此石墨化爐能否安全經(jīng)濟地運行，與短網(wǎng)的特性有密切的關(guān)系。最基本的原則是應(yīng)該盡量減少短網(wǎng)的阻抗，使整個短網(wǎng)保持較小的壓降。石墨化爐的短網(wǎng)中有各種接觸。如有導(dǎo)電電極與銅母線的接觸，銅軟母線與鋁母線的接觸，鋁母線之間的接觸等等，這些接觸都將產(chǎn)生接觸電阻，影響整個短網(wǎng)特性。有連接點的導(dǎo)體的接觸電阻，不但取決于材料的性質(zhì)，而且還取決于接觸連接時的接觸面積及接觸壓力。為此，在母線連接時最基本的一條是：擦光上緊。表3-31cm2石墨與1cm2金屬的接觸電阻壓力石墨--石墨μΩ石墨—銅μΩ石墨—鋁μΩ0.27010060000.5407026001255013002143250047.516表3-41cm2炭與1cm2金屬的接觸電阻壓力炭--炭μΩ炭—銅μΩ炭—鋁μΩ0.057502100200000.15201800160000.23801400100000.429085040000.62506001700三、石墨化爐的運行石墨化爐生產(chǎn)作業(yè)包括裝爐、送電、冷卻、出爐、清爐、修爐、再重新裝爐，一個周期一般要11～15天。但送電時間僅僅40～100小時之間，這樣，要充分利用變壓器，就得有5～8臺爐子輪流使用。一臺變壓器與5～8臺爐子結(jié)合起來有各種作業(yè)方式，循環(huán)進行生產(chǎn)，以保證供電裝置連續(xù)運行，每組石墨化爐的循環(huán)運行圖如下：圖3-4石墨化爐的運行示意圖從上圖可以看出，每組石墨化爐中總共有一臺爐處于通電運行，其它爐室分別處于待通電，裝爐、冷卻、卸爐、清爐、小修等操作過程中，每個環(huán)節(jié)必須在規(guī)定的時間內(nèi)完成，才能確保石墨化生產(chǎn)的順利進行。四、石墨化爐與供電裝置的配置一般說來，大容量的爐子，熱效率高，質(zhì)量好，能耗低，但一次性投資大，繳納的基本電費高。在變壓器容量，電壓區(qū)間和單元爐芯功率允許的情況下，石墨化爐的有效爐長是越長越經(jīng)濟。因為爐子加長后，爐芯電阻提高，相應(yīng)的電效率和熱效率都有所提高。但爐子過長，需要增大供電變壓器的功率，而且一般情況下爐長受廠房寬度限制，廠房寬度超過30米，廠房建造費用高。生產(chǎn)的經(jīng)驗證明，在選擇爐子的容量的時候，一般要考慮與選用的變壓器匹配。經(jīng)常遵循的原則是：(1)每立方米的爐芯應(yīng)保證有100～200千瓦的功率負荷。(2)選擇爐長時，一般要考慮與變壓器最高電壓的匹配。直流石墨化爐電抗很小，按裝入電阻料及生產(chǎn)產(chǎn)品的不同，每米電壓一般為6～15伏。(3)選擇石墨化的爐芯截面時，主要取決于變壓器的二次側(cè)最大輸出電流，通常是跟據(jù)爐芯電流密度來計算。生產(chǎn)實際表明，較大容量的爐子，電流密度一般選擇在1.6～2.5安培/厘米2。五、輔助設(shè)備1、圓筒篩（1）圓筒篩的構(gòu)造圓筒篩主要由傳動系統(tǒng)、主軸、篩框架、篩網(wǎng)、密封外殼、機架組成。為了同時得到幾種不同尺寸范圍的顆粒，可以在篩子的全長段安裝不同規(guī)格的篩網(wǎng)，在石墨化生產(chǎn)中，一般安裝兩種不同規(guī)格的篩網(wǎng)，目的是能將小于電阻料最小粒度和大于電阻料最大粒度的料全部能篩分出去，小尺寸篩孔的篩網(wǎng)放置在靠近進料口，大尺寸篩孔的篩網(wǎng)放置在靠近排料口。（2）圓筒篩的工作原理電動機經(jīng)減速裝置帶動篩機的中心軸轉(zhuǎn)動，物料在筒內(nèi)由于摩擦力作用而被提升到一定高度，然后在重力作用下滾落下來，這樣物料一邊進行篩分，一邊沿著傾斜的篩面逐漸從加料端移向排料端，細粒通過篩孔進入篩下，粗粒在篩筒的末端被收集。為了能使筒內(nèi)的物料沿軸向移動，必須傾斜安裝，軸線與水平面夾角一般為4°--9°。筒形篩的轉(zhuǎn)速通常在下列范圍內(nèi)選取。（轉(zhuǎn)/分）式中R筒形內(nèi)半徑（米）。筒形篩的生產(chǎn)能力可按下式計算：式中Q-筒形篩的生產(chǎn)能力（噸/小時）；n-筒形篩的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；ρ-物料密度（噸/立方米）μ-物料松散系數(shù)，一般取0.4-0.6；R-筒體的內(nèi)半徑（米）h-物料層最大厚度（米）α-筒形篩的傾斜角（度）。圖3-5圓筒篩結(jié)構(gòu)示意圖2、斗式提升機（1）斗式提升機構(gòu)造斗式提升機是由料斗、傳動鏈（帶）、傳動部分，上部分、中間機殼、下部分（尾部）組成。生產(chǎn)中應(yīng)均勻地向斗式提升機內(nèi)加料，不得給料過多以防下部區(qū)段被物料阻塞。提升機工作時，所有檢視門必須全部關(guān)閉，工作過程中如發(fā)生故障應(yīng)立即停止運轉(zhuǎn)，消除故障。工作人員應(yīng)經(jīng)常觀察提升機各部分運動情況，檢查各處連接螺栓并隨時擰緊。下部區(qū)段螺旋拉緊裝置應(yīng)調(diào)整適宜，保證料斗鏈條（或皮帶）具有正常工作張力。提升機必須在空載下起動，在物料全部卸完后停車。（2）斗式提升機生產(chǎn)能力生產(chǎn)能力Q式中i0－料斗容積（立方米）；a－料斗節(jié)距（米）；v－料斗速度（米/小時）；φ－填充系數(shù)取一般取0.7；γ－物料比重（噸/米3）；Κ－物料不均勻系數(shù)，取1.2～1.6。圖3-6斗式提升機構(gòu)造示意圖3、皮帶運輸機帶式輸送機類型分固定式和可移動式輸送機兩種。固定式帶式輸送機指輸送機位置固定且移送物料位置固定。移動式帶式輸送機底部安裝滑動輪，通過地面上鋼軌，使帶式輸送機可以移動，以達到多位置運送物料的目的。輸送機要及時添加潤滑油，應(yīng)以空載啟動，運行中發(fā)現(xiàn)無跑偏現(xiàn)象后，方可加載運行。發(fā)現(xiàn)皮帶跑偏后要及時查找引起跑偏原因，在皮帶上物料卸凈后再停車及時進行調(diào)整。圖3-7皮帶運輸機示意圖五、內(nèi)串石墨化爐內(nèi)串的表面特征是將電極沿軸向?qū)悠饋恚┘右欢ǖ膲毫σ员ＷC接觸良好。內(nèi)串不用電阻料，制品本身即構(gòu)成爐芯，這樣，內(nèi)串的爐阻很小。為了獲得較大的爐阻，同時為了提高產(chǎn)量，內(nèi)串爐就需要足夠長。但由于受廠房的限制，又想保證內(nèi)串爐的長度，所以內(nèi)串爐多建成U形爐。U形內(nèi)串爐的兩個槽可以建成分體，用外接軟銅母線進行連接。也可以建成一體的，中間加空心磚墻。中間空心磚墻的作用是把其分割成為2個彼此絕緣的爐槽。如果是建成一體的，那么在生產(chǎn)過程中，一定要注意對中間空心磚墻和內(nèi)連接導(dǎo)電電極的維護，中間空心磚墻一旦絕緣不好，或內(nèi)連接導(dǎo)電電極斷裂，會造成生產(chǎn)事故，嚴重時發(fā)生“噴爐”現(xiàn)象。內(nèi)串的U形槽一般用耐火磚或耐熱混凝土砌筑。分體式U形槽也有用鐵板做成多個匣體然后用絕緣材料將其連接的。但實踐證明，以鐵板做成的匣體容易變形，致使絕緣材料無法將兩個匣體很好的連接在一起，維護任務(wù)量很大。圖3-8中間帶空心磚墻的內(nèi)串爐示意圖第四節(jié)石墨化供電裝置供電裝置是石墨化必不可少的設(shè)備。供電設(shè)備主要包括調(diào)壓變壓器，整流變壓器，整流柜以及相關(guān)的附屬設(shè)備。每一組石墨化爐配用一套供電裝置，生產(chǎn)時只對其中一臺石墨化爐供電。碳素制品在石墨化過程中，需要有足夠高的溫度，需要有一定的升溫速度。爐阻隨爐溫的升高而降低，爐阻呈現(xiàn)負特性。在開始送電時爐阻較大，同時工藝要求的送電功率較低，需要高電壓小電流;送電后期隨著爐阻減小、送電功率的提高，需要大電流低電壓。于是靠對電壓的操作，電流和功率不斷地發(fā)生變化。因此，石墨化爐用變壓器的最大特點是：(1)二次側(cè)電壓低，一般數(shù)十伏左右，電流卻很大，一般達上百千安。(2)能夠按照石墨化送電功率曲線的要求，有載開關(guān)頻繁調(diào)頭，使得輸出電壓變化，達到控制功率，進而控制爐溫的目的。一、16000千伏安直流石墨化供電機組六六千伏高壓電從中央變電所經(jīng)過110千伏高壓電纜直接入戶，授電給整流變壓器高壓套管端子。經(jīng)有載調(diào)整壓后，變壓器二次電壓為145-38伏，再經(jīng)整流后，直流電壓為170-45伏。變壓器二次電壓經(jīng)大電流開關(guān)可倒串，并聯(lián)運行，變壓器倒并聯(lián)運行后，電流為串聯(lián)時的二倍，可達變壓器額定值，電壓為串聯(lián)時的二分之一。串聯(lián)時直流電壓為340-90伏。并連時的最大電流為安。圖4-1供電系統(tǒng)示意如圖該供電裝置ZSSPZ-16000/60型整流變壓器采用了66千伏直降，27級有載調(diào)壓，正反激磁。主變，調(diào)變和爐變?nèi)吆弦?。采用雙反星形帶平衡電抗器式整流電路，二次側(cè)最大輸出電流125千安。圖4-2供電裝置接線原理圖二、整流變壓工作原理當主變壓器的高壓線圈接入66千伏電壓時，就在主變的低壓線圈內(nèi)感應(yīng)出一個91.81伏的電壓，同時在主變調(diào)壓線圈內(nèi)感應(yīng)出一個額定相電壓19700伏，這個電壓通過有載調(diào)壓開關(guān)的換向開關(guān)加到副變的高壓線圈上。調(diào)節(jié)有載開關(guān)從1#――13#頭位置，則副變低壓線圈感應(yīng)出53.39伏－4.10伏的電壓，此時低壓總輸出電壓為91.81+53.39伏----91.81+4.10伏(即為145.2伏－95.91伏)，此時稱為正激磁。當有載開關(guān)在14號頭時，副變高壓短路。副變低壓沒有電壓，整個副變相當于一個大電流互感器，此時低壓總輸出為91.81＋0伏。等于91.81伏。當有載開關(guān)在15#－27#頭時，副變低壓線圈內(nèi)感應(yīng)的電勢與主變低壓感應(yīng)的電勢正好相反，故稱反激磁，此時低壓總輸出為91.81-4.10―――91.81-53.39伏。即為87.71伏－38.42伏。這就是說：當有載開關(guān)從1#－27#頭變化時，整流變壓器的輸出電壓從145.2伏－38.42伏之間變化，中間變化27級，極差為4.1伏。125千安硅整流裝置由二臺整流柜所組成，分別安裝在整流變壓器兩側(cè)。每臺整流柜水冷母線分相組成，同相逆并聯(lián)，水冷母線采用溫度自動保護。整流無件選用ZP－1000V/3000A計192只，電流保護采用RSC－6D－500V/3200A快速熔斷器，192只，輸入交流電壓為145.2伏－38.42伏。輸出直流電壓為170伏－45伏，輸出直流電流為125千安。整流臂均流系數(shù)大于0.8。圖4-3整流變壓器接線原理示意圖三、直流石墨化供電裝置的新發(fā)展目前，為了提高石墨化爐熱效率和增產(chǎn)，國內(nèi)石墨化爐子向大型化發(fā)展，同時，隨著電爐煉鋼的發(fā)展,對石墨電極的品種及質(zhì)量的要求不斷提高。高功率、超高功率大直徑電極的需求越來越大。這就需要高的爐芯電流密度，而現(xiàn)有的直流石墨化整流機組的直流輸出較小，爐芯電流密度也較低。為適應(yīng)生產(chǎn)的需要，只有增大整流機組二次輸出電流，來提高爐芯電流密度。所以，當今的石墨化整流機組變壓器正向著更大電流，增大爐芯電流密度方向發(fā)展。這就給石墨化供電裝置提供了一個新的設(shè)計理念。即：向低電壓，大電流，較小功率的整流機組方向發(fā)展。采取最大電流與最高電壓不同時出現(xiàn)，最大電流在號頭的2/3左右處出現(xiàn)，可以在同等條件下降低變壓器容量。即采用整流變壓器恒功率的特性，使變壓器容量降低的同時提高其直流電流輸出。對于現(xiàn)有的石墨化整流機組，可通過更換整流變壓器來提高直流輸出電流，最終提高石墨化爐的爐芯電流密度及后期功率。達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低電耗的目的。1、整流變壓器的更新改造：有一組石墨化爐，產(chǎn)品以高功率及超高功率大直徑為主。電阻料全部采用石墨化焦，爐芯長20米、寬3米、高2.6米。原來變壓器16000千伏安，最大二次電流為A，爐芯電流密度為19KA/m2，為適應(yīng)生產(chǎn)需要，生產(chǎn)出更優(yōu)良的產(chǎn)品，決定對變壓器進行更新。所更新的變壓器與石墨化爐的匹配確定為：爐芯電壓：6V/米、爐芯電密：24KA/m2直流電壓：6V/米×20米＝120V，為補償系統(tǒng)電壓波動和短網(wǎng)電壓損失直流輸出電壓取135V。直流電流：3×2.6×24KA/m2=187KA變壓器采用35極調(diào)壓，每極壓差2.5V。最大電流在26號頭出現(xiàn)。1＃～26＃檔為恒功率，26?！?5＃檔為恒電流。為此變壓器容量：1.05*187*71.1＝13960KVA。容量選：12000KVA允許過載1.2倍運行。表4－1變壓器負荷表號頭直流電壓直流電流容量號頭直流電壓直流電流容量1134.985398120591989120592132.387071120592086.4120593129.788787120592183.8120594127.290545120592281.3120595124.792390120592378.8120596122.194320120592476.2120597119.596336120592573.612059811798438120592671.1120599114.5120592768.61162610111.91205928661119311109.4120592963.51076112106.8120593060.91032813104.3120593158.3989514101.7120593255.894631599.2120593353.390311696.6120593450.785981794120593548.181651891.5120592、新變壓器與原變壓器（16000KVA、直流輸出150KA）比較其優(yōu)缺點：（1）新整流變壓器由一臺調(diào)壓變壓器、兩臺整流變壓去組成。三臺變壓器裝在一個油箱中。油箱采用半鐘罩式。低壓出線為下油箱側(cè)壁自冷銅排同相逆并聯(lián)引出。零線端頭引出，同相逆并。調(diào)變?yōu)镈Y-11結(jié)線方式，二次35級有載電動中性點調(diào)壓。整流變?yōu)?臺整流變組成12相半波整流。其中1臺一次左移15度，另1臺一次右移15度。2臺整流變壓器二次空載電壓及阻抗相同。整流變鐵芯采用五柱式鐵芯，取消了平衡電抗器。鐵芯采用冷扎取向硅鋼片，鐵芯制作采用全斜接縫結(jié)構(gòu)。整流電路采用雙反星無平衡電抗器整流電路。原變壓器為6相半波整流，三柱式鐵芯帶平衡電抗器整流電路。其優(yōu)點在于高次諧波含量大幅降低，尤其以5次、7次諧波電流降低明顯。（2）功率因數(shù)提高：表4－2新舊變壓器1＃頭時比較1#頭短路阻抗%負載損耗kw空載損耗kw空載電流%新變壓器7.2819.5440.400.54原變壓器11.49315.6517.440.312由于變壓器短路阻抗及負載損耗降低，變壓器損耗小。同時新整流柜采用組合管。使得變壓器外部接線簡單化，變壓器與整流柜緊湊，交流短網(wǎng)短；整流柜損耗小。所以整個機組功率因數(shù)大幅提高。新變壓器平均功率因數(shù)為：0.96以上，舊變壓器平均功率因數(shù)為：0.91。（3）變壓器的利用效率大幅提高：原變壓器容量為16000KVA，送爐時平均功率在6700KW變壓器的利用率：46％。新變壓器容量為12000KVA，送爐時平均功率在7000KW之間，變壓器的利用率為：61％。（4）直流輸出電壓級差減?。盒伦儔浩鞑捎?5級調(diào)壓，每級電壓差為2.5v。原變壓器為27級調(diào)壓，每級電壓差為3.2v。直流輸出電壓級差比原變壓器減小0.7v。級差電壓縮小后，實際送電曲線更加平滑，更接近計算功率曲線。（5）爐芯電密增加：（由于受石墨化爐導(dǎo)電電極容量不夠的限制，新變壓器現(xiàn)行直流輸出在168KA），由原1.92A/cm2提高到2.15A/cm2。由于爐芯電密的增加，對石墨化電極產(chǎn)品質(zhì)量有所提高。（6）送電后期大功率持續(xù)時間較長，使得送電時間縮短：（7）實現(xiàn)了恒功率送電，新變壓器送電結(jié)束時功率為11100KW。(由于受石墨化爐導(dǎo)電電極容量不夠的限制，直流輸出現(xiàn)在僅僅達到A，如果達到額定值，那效率將更高)，由以前送電后期恒電流到現(xiàn)在的基本實現(xiàn)了恒功率送電。（8）降低基本電費，使石墨化實現(xiàn)了增產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，降耗的目的。第五節(jié)石墨化生產(chǎn)工藝炭素制品的石墨化，是石墨電極高溫熱處理的最后一個過程，2300℃以上的高溫將使焙燒電極的結(jié)構(gòu)趨于石墨結(jié)構(gòu)，本節(jié)主要介紹石墨化裝出爐工藝，石墨化供電操作和石墨化的溫度特性及石墨化過程的溫度分布等內(nèi)容。一、石墨化裝出爐工藝：在石墨化生產(chǎn)操作過程中，裝爐是關(guān)鍵，因為裝入爐內(nèi)的焙燒品既是發(fā)熱電阻，又是被加熱對象。如果裝爐裝得好，爐阻合適，均勻，電能利用率就高，同時產(chǎn)品質(zhì)量也好。所以，裝爐質(zhì)量的好壞，直接影響石墨化制品的質(zhì)量。目前，石墨化制品生產(chǎn)的裝爐方法主要有四種。一種是立裝法，一種是臥裝法，一種是立、臥混合裝法，最后一種是間裝或錯位裝法。前兩種方法是最常用的裝爐法。裝爐方法的選取主要是根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格而定。大中規(guī)格產(chǎn)品一般采用立裝，而小規(guī)格產(chǎn)品，短尺寸或板材采用臥裝。小規(guī)格產(chǎn)品，短尺寸或板材產(chǎn)品和大規(guī)格產(chǎn)品需要同裝入一個爐次時，可采用混合裝爐法，即一邊立裝，一邊臥裝。為了產(chǎn)品的均質(zhì)化，也可采用間裝或錯位裝法。1、立裝法圖5-1立裝法示意圖1-保溫料2－電阻料3－臥裝產(chǎn)品4－立裝產(chǎn)品5－保溫料把需要石墨化的碳制品長度方向垂直于石墨化爐底平面的裝爐方法叫立裝法。立裝法的順序是：鋪爐底、圍爐芯、放下部墊層、裝入產(chǎn)品、填充電阻料、放入上部墊層，填充兩側(cè)保溫料和覆蓋上部保溫料。（1）鋪爐底新投入生產(chǎn)的爐子，在耐火磚砌筑的爐槽內(nèi)，先鋪250～350mm厚的石英砂，石英砂上再鋪上爐底料，爐底料是由石英砂和冶金焦粉，按照一定體積比組成的混合料（按體積比為：石英砂占35－25％，焦粉占65－75％）。爐底料要邊鋪邊夯實或踩實，鋪的厚度可按產(chǎn)品的長度而定，主要是保證爐芯上下與導(dǎo)電電極端墻相對應(yīng)。鋪爐底料的作用是：①絕緣作用，保證爐芯與大地絕緣。②保溫作用，保證爐芯溫度盡可能少散失。③調(diào)節(jié)爐芯高度，保證爐芯上下與導(dǎo)電電極端墻相對應(yīng)。爐底料的物料組成與保溫料的物料組成相同，但爐底料中石英砂所占的比例比保溫料略高，其主要原因是：保障其絕緣性能，對于爐底料來說，它的絕緣性能更顯重要。在實際生產(chǎn)中，如果爐底的絕緣性能很差，容易造成爐底燒穿事故，大量的電能經(jīng)過爐底部流入大地，爐底部熔融的Si結(jié)合成硅石，甚至和爐底的耐火磚結(jié)合到一起，非常難以清除。同時，熔融進而蒸發(fā)的Si竄入爐芯，與電極制品發(fā)生反應(yīng)，把電極嗤的殘缺不全，破損處呈現(xiàn)化學(xué)腐蝕壯，大批量的電極制品上粘結(jié)碳化硅，大批量的電極制品出爐后電阻率不合格。圖5－2被嗤的電極示意圖爐底燒穿事故是石墨化出現(xiàn)的重大生產(chǎn)事故之一?；谑鹿实膰乐匦?，很多書及規(guī)程都明確規(guī)定爐底料的配比，并明確指出不能使用舊的保溫料。對爐底料的再認識：爐底料最主要的作用是絕緣而不是保溫，熱平衡顯示，爐底的熱量散失僅僅相當于爐頂熱量散失的1/3－1/10倍，相對比較小，所以，爐底的熱量散失屬于次要因素。產(chǎn)生爐底燒穿事故的主要原因是絕緣問題，即爐底清的不好，甚至于碳化硅分解后的石墨分解層都沒有被清出去。冶金焦粉是不易石墨化原料，即使是經(jīng)歷高溫后，再緊壓實，純冶金焦粉電阻率也在幾百繆歐姆米，僅僅比石墨化前小幾倍。比焙燒品的電阻大幾倍。艾其遜式石墨化所用的保溫料--含砂保溫料，經(jīng)歷高溫后的電阻率在上千繆歐姆米以上，純石英砂的電阻近乎于無窮大，如果再向其中添加一定的石英砂，兩者混合后的電阻率在幾千繆歐姆米，足可以起到良好的絕緣效果。就是說：保溫料在使用后，其熱絕緣性尚未被徹底破壞，在爐底料中摻入一定的舊保溫料，可大量節(jié)省生產(chǎn)成本，效益十分可觀。對出爐后電極的電阻率影響非常非常小。而且，在爐底還可以獲得副產(chǎn)品碳化硅。為節(jié)省輔助原料的消耗，生產(chǎn)上允許以一定的比例摻入重復(fù)使用。為了更加穩(wěn)妥，在使用摻入舊料的爐底料時，一定要注意舊料中的焦粉和石英砂實際所占的比例，根據(jù)實際所占的比例來調(diào)整新冶金焦粉和新石英砂的比例。在爐底使用含舊料的爐底料時，一定要保證在爐底先鋪一定厚度的、不含舊爐底料的新爐底料上鋪放，以確保爐底的絕緣性。而且，如果做法得當能保證一年不用大清爐底，極大的提高利潤水平。表5-1爐底料配方舉例物物料配比配方冶金焦粉石英砂舊料爐底料165%-75%25%-35%爐底料245%-50%30%-20%25%-30%（2）圍爐芯石墨化爐中被焙燒品和電阻料所占據(jù)的空間稱為爐芯。根據(jù)裝入碳制品的規(guī)格和周圍電阻料的要求，用鋼板先圍成一定形狀和尺寸，這個操作過程叫圍爐芯。圍爐芯的目的：①使爐芯于保溫料分開，防止保溫料混入爐芯。②固定爐芯位置，爐芯要與導(dǎo)電端墻左右對應(yīng)。③便于填充電阻料。④保證整爐產(chǎn)品裝得整齊。圍爐芯的鋼板分為爐頭板和側(cè)裝料板。放爐頭板時，爐頭距導(dǎo)電端墻距離：一般大型爐在250～300mm之間，小型爐在150～200mm之間，中間填充石墨化冶金焦。這層電阻料的作用是：①作為導(dǎo)電電極與爐芯制品間的導(dǎo)電材料，使電流均勻的通過爐芯。②作為制品與導(dǎo)電電極間的緩沖層，防止因熱膨脹而損壞爐頭。兩側(cè)墻間裝料板的寬度比爐芯產(chǎn)品寬度多200mm左右，這種寬度的保證可以采用夾格板的方式，也可以采用在裝料板上焊固定寬度鐵筋的方式。其目的是要使產(chǎn)品裝入后，兩邊與裝爐板之間各有80－100mm的距離，以便填充電阻料，同時使產(chǎn)品與保溫料隔開。選取最寬爐芯時，應(yīng)保證兩側(cè)保溫料厚度最好不低于400mm。（3）放爐底墊層在裝入產(chǎn)品之前先在圍成的爐芯內(nèi)的爐底料上面鋪一層100－150mm厚的冶金焦（也可以鋪石墨化焦，鋪冶金焦的目的是為了保護爐底），作為爐底墊層。爐底墊層的主要作用是：①使爐芯產(chǎn)品與爐底料分開。爐底料內(nèi)有石英砂，與產(chǎn)品接觸易產(chǎn)生金剛砂，氧化產(chǎn)品。②也起到調(diào)整爐芯電阻的作用。（4）裝產(chǎn)品、填充電阻料把產(chǎn)品立裝于墊層上，橫排產(chǎn)品彼此互相靠緊，但要注意產(chǎn)品與裝料板保持間距?？v排之間要保持排與排之間有一定的間距，保持縱排之間的間距有多種方法，可以采用放吊板后夾格板，格板在填入電阻料后，隨即拔出的辦法，也可采用立爐人手持鐵檔板，先保證電極根部的間距，在放電阻料時用撬棍將電極上部撬開并保證垂直的方法。從提高爐內(nèi)產(chǎn)品電阻的均勻性來講，希望縱排之間的間距大一些，但從提高產(chǎn)品的裝爐密度即經(jīng)濟性來說，希望間距小一些，老規(guī)程一般要求其產(chǎn)品的間距為制品直徑的20％，實際生產(chǎn)中視電阻料的粒度大小及焙燒品質(zhì)量等原因而定，一般保證在制品直徑的10％---20％之間，中間填充電阻料，電阻料一方面是發(fā)熱電阻，同時起著固定產(chǎn)品的作用。目前常用的電阻料主要有三種：冶金焦、石墨化焦、以及兩者按不同比例的混合焦。石墨化爐的爐芯電阻是由裝入爐內(nèi)的產(chǎn)品本身的電阻和電阻料的電阻串聯(lián)而成。電阻料的電阻遠大于產(chǎn)品的電阻。所以，爐芯電阻的絕大部分是由電阻料提供的。也就是說，在石墨化過程中，主要是靠電流通過電阻料時產(chǎn)生的熱量加熱焙燒品。在實際生產(chǎn)中，調(diào)整爐芯電阻的方法主要有三點：①調(diào)節(jié)焙燒品裝爐時的間距。②采用不同系數(shù)的電阻料如：冶金焦、石墨化焦、以及兩者按不同比例的混合料。③調(diào)整爐芯截面的大小。從提高石墨化爐芯溫度的角度，要求電阻料的電阻大一些，特別是通電后期，對現(xiàn)階段的絕大多數(shù)變壓器來講，二次輸出電流已達最大值，此時爐芯電阻如大些，能保持較高的功率。全部使用冶金焦粒為電阻料時就是這種情況，但是電阻料電阻與焙燒品電阻相差過大時，在通電過程中形成的溫差也大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力就大，易使產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋。而當采用較低電阻值的石墨化焦為電阻料時，電阻料電阻與焙燒品電阻相對來說相差較小，這也就使得在通電過程中形成的溫差也小，即使用較大的開始功率和較快的上升功率通電也不致于增加裂紋廢品。現(xiàn)在的供電裝置和石墨化爐的配置、絕大多數(shù)是兼顧兩種電阻料的，所以，如果采用相同的送電曲線，石墨化焦為電阻料時的后期供電功率比冶金焦做電阻料時要低很多，采用同曲線送電時，石墨化焦為電阻料的爐子送電時間被拖長。熱效率降低。采用混合焦做電阻料時，在電阻的阻值上兼顧了其優(yōu)缺點，但應(yīng)保證混合均勻，否則會造成產(chǎn)品周圍各點的電阻差異，產(chǎn)生很大溫差，極易產(chǎn)生裂紋。對于不易產(chǎn)生裂紋的中小規(guī)格產(chǎn)品（包括各種接頭，陽極板等），采用冶金焦作電阻料比較合適，因為規(guī)格較小，內(nèi)外溫差不是很明顯，此時即使采用較高的開始功率及上升功率，產(chǎn)品一般也不會發(fā)生裂紋。對于大規(guī)格的產(chǎn)品來說，內(nèi)外容易形成較大溫差，使用混合焦或石墨化焦作電阻料比較合適，這樣產(chǎn)品與電阻料的電阻相差較小，產(chǎn)品內(nèi)外的溫差也同時減小了，這樣即使采用較高的開始功率和較快的上升功率也不致造成產(chǎn)品裂紋。但如果使用混合焦，就一定要注意使其混合均勻。目前，在石墨化生產(chǎn)中常用的冶金焦電阻料粒度一般采用10～25mm粒級，少數(shù)也有采用25～40mm粒級的。采用10～25mm粒級的優(yōu)點是：容易將電阻料填實。缺點是：（1）循環(huán)使用率低。（2）接觸電阻大采用25～40mm粒級的優(yōu)點是：（1）循環(huán)使用率高，節(jié)約原料。（2）接觸電阻小。缺點是：不容易將電阻料填實。在生產(chǎn)中，一旦電阻料填充不實，甚至有“棚料”現(xiàn)象，極易使產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋和電化廢品。表5-2石墨化生產(chǎn)中常用電阻料理化指標指標名稱指標冶金焦粒石墨化焦粒粒度尺寸mm10～25或25～406～25或25～40水份（％）不大于12灰分（％）不大于1513揮發(fā)份（％）不大于1.9粉末電阻率μΩm不大于1000450大于規(guī)定粒度含量（％）不大于5小于規(guī)定粒度含量（％）不大于1015其它不允許有外來雜物不允許有外來雜物（5）放上部墊層填好電阻料，采用格板裝爐方式的抽出格板后，還要在產(chǎn)品和電阻料組成的爐芯上面，鋪一層100－150mm左右的石墨化冶金焦作為上部墊層。上部墊層的主要作用：①使產(chǎn)品與保溫料分開，防止產(chǎn)品與石英砂接觸。②可以起到一定的引流作用和調(diào)整爐溫的作用。（6）覆蓋保溫料覆蓋保溫料時先放爐芯兩側(cè)保溫料，兩側(cè)保溫料的厚度不應(yīng)少于400mm，在放兩側(cè)保溫料的同時，裝料板逐漸拔出，最后在頂部覆蓋不小于700mm的上部保溫料。保溫料性能的好壞對石墨化爐的溫度有很大的影響，在沒有任何保溫措施的情況下，要把碳加熱到3000℃的高溫，必須有1000安培/厘米2的電流密度才能實現(xiàn)。而實際上、石墨化爐芯中通過的電流密度僅有1～3安培/厘米2。在這樣的電流密度下，必須有良好的保溫條件，以盡量減少向四周的散熱損失，才能達到所需要的石墨化溫度。石墨化爐用保溫料應(yīng)導(dǎo)熱率低，電阻率高，這就使其具有了良好的保溫性和對電的絕緣性，可防止熱量和電能的流失。同時還要具有2000℃以上高溫不融化、不易竄入爐芯與制品發(fā)生反應(yīng)的性能。選擇保溫料的另一條原則是資源豐富，價格便宜。目前艾其遜石墨化爐都選用冶金焦粉與石英砂的混合料作為保溫料，用做保溫料的輔助材料應(yīng)符合如下技術(shù)指標。表5-3冶金焦焦粉指標指標名稱指標粒度尺寸mm0-10水分（％）不大于15灰分不（％）不大于18揮發(fā)分（％）不大于1.9大于規(guī)定粒度含量（％）不大于10大于規(guī)定粒度含量（％）不大于-外來雜物不許有表5-4石英砂指標指標名稱指標粒度mm0.5～4.0小于規(guī)定粒度含量（％）不大于5SiO2含量（％）不小于95水分（％）不大于5保溫料在使用一次后，其絕熱、絕緣性能尚未被破壞，為節(jié)省輔助原料的消耗，生產(chǎn)上允許以一定的比例摻入重復(fù)使用。在摻入舊料使用時，一定要注意舊料中的焦粉和石英砂實際所占的比例，根據(jù)實際所占的比例來調(diào)整所要摻入的新冶金焦粉和新石英砂的比例。表5-5保溫料配方舉例冶金焦粉石英砂舊料木屑保溫料170%-75%30%-25%保溫料230%-40%20%-10%40-60%保溫料35-20%80-95%保溫料460%-65%30%-35%10%保溫料530%-35%5%-10%50%10%影響保溫料性能的有：物料組成，顆粒組成和水分含量等因素?，F(xiàn)在，大多數(shù)炭素廠的保溫料一般由冶金焦粉，石英砂組成。在這種組成中可以添加一定比例的木屑，木屑可降低保溫料的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，這是由于在石墨化過程中，木屑變成木碳，其電阻率遠大于其它保溫材料，同時木屑使保溫料松散，降低堆積密度，也降低了保溫料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。但添加一定比例的木屑后有以下不足：①、送電過程中煙汽較大。②、容易燒結(jié)成塊。③、不容易混合均勻。保溫料中添加石英砂增加了保溫料的電阻率，但卻提高了導(dǎo)熱率。所以說，石英砂的添加要有一個合適的比例，如表5-5所舉例。用做保溫料的焦碳顆粒越小，導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率就越小，這是因為焦碳結(jié)構(gòu)被破壞，顆粒之間出現(xiàn)接觸電阻，接觸電阻比焦碳電阻大得多。目前石墨化生產(chǎn)中保溫料焦粉的規(guī)格一般為0～10毫米。保溫料中如果含水分高，其導(dǎo)熱率增加，保溫效果差。圖5－3含不同水分的保溫料的熱導(dǎo)率生產(chǎn)電碳制品或特種石墨制品的小型石墨化爐常用炭黑為保溫料。炭黑的熱導(dǎo)率很低，保溫效果優(yōu)于石英砂和焦粉組成的保溫料，因此可適當減少保溫層的厚度。但炭黑價格高，而且炭黑顆粒很小，裝出爐時粉塵非常大，極大的污染環(huán)境。生產(chǎn)高純石墨一般使用低灰分的石油焦為保溫料，內(nèi)熱串接石墨化爐直接使用小顆粒的冶金焦粉作保溫料。2、臥裝法圖5-4臥裝爐示意圖碳制品在石墨化爐內(nèi)水平放置，其長度方向與爐芯長度方向垂直的裝爐方法叫臥裝法。臥裝一定要裝在活動墻的爐子中，否則無法出爐。臥裝與立裝的工藝過程基本相同。也是由鋪爐底、圍爐芯、裝入產(chǎn)品及電阻料，覆蓋保溫料等工序組成。小規(guī)格產(chǎn)品用臥裝方法比較多，臥裝法一般用成吊裝入法，并分成上、下兩個水平排，或多個水平排，在吊與吊之間留有一定的距離，距離大小一般為40－80mm，裝完一個水平排后即向吊與吊之間的空隙內(nèi)填入電阻料，同時覆蓋40－80mm厚的冶金焦或石墨化焦作為上、下水平排之間的墊層，然后再裝上面的水平排。臥裝電極的堆高由下式計算：H：制品臥裝的堆積高度n：堆積制品高度方向的個數(shù)d：堆積制品的實際直徑通電結(jié)束后，為加速冷卻，方便卸爐。可拔掉爐兩側(cè)活動墻。臥裝法的保溫料一般選用含有50％舊料的第二配方，目的是使保溫料在高溫過程中易結(jié)成硬殼，以便在拔掉活動墻冷卻時，保證保溫料能站住。拔墻后要注意用黃泥等彌合保溫料因為產(chǎn)生碳化硅而形成的裂縫，保護產(chǎn)品不被氧化。3、混合裝爐法有些產(chǎn)品長度比較短，裝爐量比較小，為了充分發(fā)揮爐子能力，可以在臥裝產(chǎn)品的一側(cè)，立裝一部分產(chǎn)品。此時，一定要注意兩種產(chǎn)品規(guī)格不要相差過大，并保證兩種產(chǎn)品連接處要填充好電阻料，防止產(chǎn)生雙爐芯，造成偏流。只在一側(cè)立裝數(shù)排產(chǎn)品的混合裝爐法，容易導(dǎo)致爐芯電阻分布不均、出現(xiàn)爐芯溫度的偏移。因此在混合裝爐時，應(yīng)錯開分別裝入，可以避免爐芯兩側(cè)溫度出現(xiàn)較大差異?；旌涎b爐的操作程序與立裝和臥裝的有關(guān)規(guī)定相同。圖5-5混合裝爐示意圖4、間裝法或錯位裝爐法焙燒品直徑越大，在石墨化過程中越容易在產(chǎn)品內(nèi)部形成溫度分布不均勻，在溫升過快的情況下越容易產(chǎn)生裂紋產(chǎn)品，艾其遜石墨化爐的缺點之一就是爐芯電阻分布是不均勻的，電阻小的地方電流通過較多，電阻大的地方電流通過較少。圖5-6立裝爐的電流走向示意圖如圖所示，由于電阻料的電阻比焙燒品本身的電阻大得多，所以電流從A－A處通過較多，A－A處的溫度t1大于t2，導(dǎo)致A－A處的溫升速度比較快，產(chǎn)品在這一部分容易出現(xiàn)裂紋，如果改用下面的間裝法，即用兩種規(guī)格的焙燒品間隔裝爐（如直徑500mm與直徑250mm或直徑400mm與直徑200mm間隔裝入），利用間隔裝爐的小直徑產(chǎn)品來分散電流的走向、縮小溫度差，就可以減少裂紋廢品的發(fā)生，因此這種間隔裝爐允許適當提高通電時的開始功率和上升功率。圖5-7間裝爐的電流走向示意圖另一種叫錯位裝法，即在間裝排的兩側(cè)分別裝2個直徑為1/2的焙燒品，使原來相鄰的兩排大規(guī)格焙燒品彼此錯位1/2。電流走向也相對于立裝爐均勻。相對也就縮小了溫度差。圖5-8錯位裝爐示意圖這兩種方法雖然在理論上有利于提高石墨化的成品率，及爐內(nèi)產(chǎn)品的均質(zhì)化，但是裝爐操作比較麻煩，而且實際上，2根1/2直徑的產(chǎn)品靠在一起后，往往比大直徑產(chǎn)品要大很多，實施時往往取1/2直徑的下規(guī)格產(chǎn)品，且實踐后效果不是非常明顯，所以實際使用并不多。5、通電、冷卻、卸爐與清爐（1）通電送電前首先要做好準備工作，將各個接點擦光、上緊。檢查整個回路中是否有開路或接地的情況，冷卻水是否暢通，爐頭粉是否填滿、捅實。檢查完畢，即可通知送電。送電人要在送電簽字單上填寫產(chǎn)品名稱、規(guī)格、重量、送電制度，并簽名。通電過程中要經(jīng)常巡視檢查石墨化爐的運行情況，爐頭、接點是否發(fā)紅，爐子是否漏料，是否出現(xiàn)接地，冷卻水是否堵塞，上蓋、爐頭、爐墻是否有可能竄火等等。目前石墨化爐的總電量的給定，主要是以產(chǎn)品的規(guī)格、品級、有無特殊要求，產(chǎn)品的原料組成，原料中有無低檔焦，送電曲線，單位產(chǎn)品的計劃電單耗，同時參考同品種規(guī)格產(chǎn)品在一般情況下所給定的全爐總電量是多少，送電中途是否有壓負荷及停電現(xiàn)象等來確定。在實際給定電量的過程中，往往重視單位產(chǎn)品的計劃電單耗，同品種規(guī)格產(chǎn)品在一般情況下全爐總電量的情況往往容易被忽視。例如，由于產(chǎn)品間隔大了及立爐水平等原因，本爐次的產(chǎn)品比上爐次少裝了兩組，這兩個爐次產(chǎn)品的品種規(guī)格及原料的使用又完全一樣等等。那么這時候就不能完全依據(jù)單位產(chǎn)品的計劃電單耗，而要兼顧同品種規(guī)格產(chǎn)品在一般情況下全爐總電量的情況。同時，要對供電情況進行巡視，如果有中途有停電現(xiàn)象，要根據(jù)停電的時間多少來確定是否增加電量及增加多少電量。電量達到給定的數(shù)值后可停電。有時也參考爐子的狀態(tài)，爐芯電阻的變化，功率因數(shù)，最高功率值及在最大二次電流持續(xù)時間等等。如果石墨化爐的散熱損失與饋入的熱量平衡，爐芯溫度不再升高，其爐阻也不變化，電流、電壓、功率因數(shù)都趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定一定時間后也可以停電。石墨化爐理想的停電方式應(yīng)根據(jù)爐溫來確定，但由于艾其遜式石墨化爐爐芯溫度的不均勻性，以及對石墨化爐高溫區(qū)測定不容易且不準確等原因，目前工業(yè)生產(chǎn)中尚未實現(xiàn)。（2）冷卻和卸爐停電后，石墨化爐處于冷卻降溫階段，冷卻時間的長短，根據(jù)石墨化爐運轉(zhuǎn)臺數(shù)及工藝要求來決定，冷卻時間一般不低于96小時，正常需96～150小時。冷卻方法有兩種，一種為自然冷卻，一種是強制澆水冷卻。大型石墨化爐組，由于運轉(zhuǎn)周期短、產(chǎn)量大，一般都采取強制澆水冷卻。強制澆水冷卻的要點是少澆，勤澆，不宜一次大量澆水，嚴禁向爐內(nèi)局部灌水，防止產(chǎn)品氧化。立裝石墨化爐冷卻過程分為抓浮料，抓上蓋，刮爐頂焦，水冷卻等幾個步驟。臥裝爐拔墻后，在整個冷卻過程中，產(chǎn)品始終在燒結(jié)的爐殼內(nèi)，此時要維護好爐殼，要用耐火泥或黃泥將爐殼裂縫堵好，防止空氣和水進入氧化產(chǎn)品，到規(guī)定時間后，打開外殼，即可卸爐。（3）清爐與小修經(jīng)上一爐的生產(chǎn)，爐底料的絕緣性就要變差，爐頭內(nèi)的爐頭粉有燒損，爐子其它部位也可能出現(xiàn)小毛病，因此要進行清爐和小修。清爐是比較關(guān)鍵的操作，既要保證爐底的絕緣性能又要保證盡量少清除料，以利于降低生產(chǎn)成本。在清爐時一般遵循下列原則：將碳化硅層清除，再將碳化硅分解層清除至黃料部分后，分前、中、后三段對爐底進行檢查，檢查黃料層結(jié)構(gòu)，若黃料層結(jié)層不厚，且硬度較低（容易踩碎）便認定可以，若黃料層較厚，硬度較強，則需要清除。若三段或者其中的兩段下部有石墨結(jié)構(gòu)，則必須將爐底料全部清楚，若只用一段有石墨結(jié)構(gòu)，則需要擴大局部進行清除。爐清完后，再用鍬分散幾個部位挖一鍬深做最后檢查。爐子經(jīng)清理后還要對導(dǎo)電端墻進行小修。內(nèi)端墻表面粘結(jié)的金剛砂要清除掉，小的孔洞要用廢石墨碎塊堵塞并用石墨粉漿抹平。對爐頭內(nèi)外墻中間、要填加石墨粉并搗實，防止出現(xiàn)空隙，邊墻卸爐時碰掉的耐火磚，應(yīng)重新砌好。爐子運行幾個爐次后，要將爐頭粉挖開，檢查導(dǎo)電電極情況，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電電極有斷開的現(xiàn)象，要及時更換或做有效處理。否則：容易導(dǎo)致其它導(dǎo)電電極斷開。送電后期容易造成爐頭（尾）導(dǎo)電端墻或爐頭粉處竄火。嚴重時無法處理。清爐和小修后的爐子可以重新裝爐。第六節(jié)石墨化過程中的溫度特性一、碳素產(chǎn)品的溫度三階段碳素產(chǎn)品在石墨化過程中，按溫度特性大致可分為三個階段。室溫至1300℃為重復(fù)焙燒階段。經(jīng)1300℃焙燒的產(chǎn)品具有一定的熱電性能和耐沖擊性能。此階段產(chǎn)品僅是單純的預(yù)熱，焙燒品內(nèi)部沒有什么大變化，一般認為，在此階段采用較快的溫升速度，產(chǎn)品也不會產(chǎn)生裂紋。但由于加熱初期產(chǎn)品、電阻料、保溫料甚至產(chǎn)品本身都含有一定的水份，需要耗費一定的能量予以蒸發(fā)，而且，起始時饋入的能量也不可能很大，因而實際上升溫速度并不很快。1300～1800℃為嚴控溫升階段。此階段內(nèi)產(chǎn)品的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成開始發(fā)生很大變化。實際上以化學(xué)反應(yīng)為主，無定形碳微晶結(jié)構(gòu)中結(jié)合的氫、氧、氮、硫等元素不斷逸出，產(chǎn)生氣漲現(xiàn)象，氣漲是一種不可逆膨脹，焦碳的不可逆膨脹與焦碳的氮、硫含量、石墨化溫升速度、所排氣體的特性、焦碳的孔隙率及結(jié)構(gòu)有關(guān)。焦碳在石墨化過程中由于結(jié)構(gòu)中雜原子的存在、會有氣體溢出，溢出的氣體對焦碳內(nèi)壁形成壓力，壓力足夠大時，氣體沖破閉孔溢出時，焦碳產(chǎn)生裂紋，壓力達到平衡。冷卻到同溫度時，制品不能回復(fù)到原來的狀況，這便叫不可逆膨脹。到達一定溫度后，氣體幾乎全部逸出，焦碳也完成向石墨化結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。通過內(nèi)串爐送電時的柱長測量發(fā)現(xiàn)，電極的原料組成不同，開始收縮的溫度不同，一般情況下，在升溫過程中，在2100℃以下，制品一直保持在膨脹狀態(tài)，2100℃以上甚至更高溫度時，制品才開始收縮。焦碳產(chǎn)生不可逆膨脹的原因很多，除了與焦碳本身結(jié)構(gòu)有關(guān)外，與雜原子的含量、石墨化加熱速率、焦碳的孔隙率等有關(guān)。原料中雜原子N、S含量與焦碳的不可逆膨脹是最大相關(guān)，這些雜原子在一定溫度下突然釋放，導(dǎo)致焦碳不可逆膨脹。一般認為，石油系針狀焦的不可逆膨脹與S含量有關(guān)，煤系針狀焦主要與N和S有關(guān)。石油系針狀焦中的硫一般在1600℃左右開始釋放，持續(xù)到2000℃左右，而煤系針狀焦中的N一般在1300℃左右釋放，持續(xù)到1900℃。氣脹的大小是鑒定焦子質(zhì)量好壞的重要指標之一。從目前來看，抑制氣脹主要有以下4種措施：（1）降低原料焦碳的硫、氮等雜質(zhì)含量。這主要有兩種辦法①高溫煅燒：通過高溫煅燒可降低硫等雜質(zhì)的含量，但這需要的溫度往往較高，難以實現(xiàn)。表6－1硫含量為1.5%的石油焦在不同煅燒溫度下的殘余硫含量的測定數(shù)值：煅燒溫度℃11001200130014001600硫含量%1.51.491.321.130.36②加氫脫硫：生焦在500℃進行氧化作用后又經(jīng)過二次加氫脫硫，微孔、微裂紋增加，焦碳中硫含量減少。（2）改善原料的微觀結(jié)構(gòu)。焦碳中的微裂紋越多，焦碳的熱膨脹系數(shù)越小，氣脹越小。有研究表明：采用兩部煅燒法（中間一次冷卻）可使焦碳微裂紋增加。（3）控制石墨化過程嚴控區(qū)間的升溫速度，主要是降低在1500℃-1800℃區(qū)間雜質(zhì)氣體釋放的速度，有利于減少氣脹。串接石墨化的溫升速度較大，所以如用含氮量較高的煤系針狀焦生產(chǎn)的大規(guī)格超高功率石墨電極不宜用串接石墨化爐進行石墨化，否則劇烈的氣脹會導(dǎo)致裂紋廢品的增加。（4）添加抑制劑。配料時加入少量氣脹抑制劑，可延緩雜質(zhì)氣體的釋放，氣脹抑制劑通常使用氧化鐵粉，抑制劑與硫反應(yīng)生成硫化物，隨后在較高的溫度下以較低的速度分解出單質(zhì)硫，金屬氧化物防止氣脹的效果是由于其硫化物的穩(wěn)定性作用，當用氧化鐵為氣脹抑制劑時，硫的逸出推遲到2100℃-2500℃之間。對煤系針狀焦而言，氧化鐵與氧化鉻一起使用時抑制氣脹效果更好，氧化鎳和氧化鈷對抑制煤系針狀焦的氣脹也有較好效果。鐵、鎳、鈷的氧化物還有一定的石墨化催化作用，并有利于提高瀝青的殘?zhí)柯?，使由氣脹引起的密度下降得到一定補償。使用同一種氣脹抑制劑，顆粒度越小效果越佳。據(jù)研究報道，氣脹主要是在0.1μm－1μm的微孔中產(chǎn)生，因此抑制劑應(yīng)當和粘結(jié)劑一起進入焦表6－2兩種顆粒度的氧化鐵粉對煤系針狀焦制品焙燒過程中瀝青殘?zhí)柯屎鸵种茪饷浶Ч膶嶒灁?shù)據(jù)舉例。平均粒度/μm生坯密度/g·cm-3焙燒毛坯密度/g·cm-3瀝青殘?zhí)柯?%氣脹/%13.01.7131.49665.81.11.51.7121.50169.70.9所以，在溫度為1300℃――1800℃這一區(qū)間內(nèi)，這些變化引起結(jié)構(gòu)上的缺陷，促使熱應(yīng)力過分集中，極易產(chǎn)生裂紋廢品。為減緩熱應(yīng)力的作用，應(yīng)嚴格控制此階段的溫升速度，防止產(chǎn)品產(chǎn)生裂紋。在實際生產(chǎn)中，為降低溫升速度，在這一溫度區(qū)間常采用降低每小時上升功率、橫功率、甚至是減功率運行。1800℃至石墨化最高溫度，為自由升溫階段。此時產(chǎn)品氣脹趨緩，產(chǎn)品的石墨晶體結(jié)構(gòu)已開始形成，因此，溫升速度對產(chǎn)品的影響不是很大，在實際生產(chǎn)中，由于高溫熱損失增大，這個階段的實際溫升速度往往也很難提高。所以在這一階段可以采用大幅度提高每小時上升功率來提高溫度上升幅度。圖6－1送電過程中功率曲線與溫度曲線的關(guān)系舉例二、爐芯溫度分布石墨化爐通電結(jié)束后，在導(dǎo)電端面上形成一個黃色的圓圈，這是爐芯內(nèi)的硫份揮發(fā)后遇到低溫區(qū)后又凝聚下來，而形成的。其主要成分是硫，里面的圓環(huán)為所謂的高溫圈。圖6－2爐芯及其周圍溫度分布參考圖正常穩(wěn)定生產(chǎn)的爐次產(chǎn)品均應(yīng)在高溫圈內(nèi)，且高溫圈應(yīng)基本對稱于導(dǎo)電電極。利用高溫圈的位置可來分析判斷石墨化爐爐芯溫度的分布是否合理，高溫圈太靠上熱損失大，太靠下，易燒壞爐底。爐芯斷面上溫度分布情況隨產(chǎn)品裝爐方式，爐芯截面，墊層厚度，保溫及絕緣等條件而異。爐芯電阻是由具有高電阻的電阻料和具有低電阻的產(chǎn)品電阻串聯(lián)組成的。電阻料的電阻遠大于產(chǎn)品的電阻，因此電阻料所產(chǎn)生的熱量也與其電阻相對應(yīng)，遠比產(chǎn)品內(nèi)所產(chǎn)生的熱量大。所以，對爐內(nèi)電極來說，電極表面的溫度要高于電極芯部的溫度。送電曲線越快，表面和芯部的溫差越大。由于電流流向具有選擇電阻較小方向的特性，從導(dǎo)電電極流出的電流呈扇狀，因此爐子的四角流過的電流最小，產(chǎn)生的熱量最少，爐子的四角是全爐溫度最低的部位。有時，四角的溫度會比爐芯中央低500～800度，這種爐溫的不均勻性，也是艾其遜式電阻爐的一個特征。三、石墨化爐的測溫技術(shù)石墨化爐的溫度測量是十分重要的工藝控制。為了準確地掌握爐溫的上升速度及爐溫的分布情況，必須對石墨化爐進行實際溫度測量，并以此來調(diào)整功率曲線。石墨化爐溫高達2300℃以上，因此用來測量石墨化爐爐溫的測溫管一般采用石墨測溫管。圖6－3石墨測溫管地結(jié)構(gòu)示意圖石墨管一般使用Ф150mm的石墨電極制作，下面一個孔為測溫孔，上面的孔是排除管內(nèi)煙氣用的，孔經(jīng)大小以能放入熱電偶及測量方便為準，一般情況下可以把下孔的直徑做的比上孔大些，以便在使用光學(xué)高溫儀測溫時方便找準位置，上孔的直徑可做的小些，主要是排放煙氣用。1300℃以前用鉑－銠熱電偶，1300℃以上用光學(xué)高溫儀測量。大約在550℃時，眼睛可以看見測溫管的底部微紅。為了準確測量爐芯溫度分布及升溫速度，測溫點應(yīng)選擇幾個，測溫次數(shù)可根據(jù)要求而定。測溫管處于高溫時，往往因爐內(nèi)煙氣滲入管內(nèi)及測溫管底部的部分氧化，而在測溫管內(nèi)形成煙霧，影響測溫效果，這時常采用惰性氣體吹洗，一般采用氮氣吹洗。這種測試方法在1300℃以前使用鉑－銠熱電偶時測得的溫度較準，在1300℃以后，由于儀器的誤差和人的測量誤差，主要是人的測量誤差，導(dǎo)致測得溫度是不夠準確的。但由于這種測試方法簡單方便，現(xiàn)在仍廣泛用于測量石墨化爐溫度。第七節(jié)石墨化產(chǎn)品的送電制度一、石墨化送電功率曲線由于石墨化爐測溫的難度及不準確性，所以各廠無法按溫度曲線來控制石墨化的供電，而是采用在規(guī)定時間規(guī)定一定功率的功率曲線、來替代溫度曲線控制石墨化升溫，即所謂的定功率配電。它是根據(jù)給定的開始功率和上升功率